par Luisa Bonolis
Isidor Isaac Rabi
Prix Nobel de physique 1944
« pour sa méthode de résonance pour enregistrer les propriétés magnétiques des noyaux atomiques ».
Comme l’a souligné Norman Ramsey, l’un des biographes d’Isidor Rabi, « Certains scientifiques apportent leur plus grande contribution grâce à leurs recherches personnelles, tandis que d’autres sont mieux connus pour leur sagesse générale et leur influence sur les autres. Quelques-uns, dont Rabi, excellent à ces deux égards. »Il serait en fait réducteur de parler des découvertes importantes de Rabi, qui ont conduit à son prix Nobel en 1944, sans mentionner comment son influence s’est étendue bien au-delà de son propre laboratoire et comment, sous sa direction visionnaire d’homme d’État de la science, de nombreuses entreprises réussies de coopération scientifique nationale et internationale ont été réalisées. Il a notamment été l’un des fondateurs du Laboratoire national de Brookhaven et l’un des principaux promoteurs du laboratoire du CERN. Sa grande réputation et ses contacts, avec les principaux physiciens ainsi qu’avec les dirigeants gouvernementaux des Nations Unies, se sont transformés en outils précieux lorsqu’il est devenu un porte-parole de l’utilisation pacifique de l’énergie nucléaire.
Devenir un adepte de la théorie quantique
Isidor Isaac Rabi est né à Rymanow, en Autriche-Hongrie, en 1898, à la toute fin du XIXe siècle, lorsque les rayons X, la radioactivité et l’électron ont été découverts. L’année suivante, ses parents déménagent à New York où il fréquente l’école publique, mais acquiert une grande partie de son éducation et de son intérêt pour les sciences grâce à des livres empruntés à la bibliothèque publique. En 1916, après avoir obtenu son diplôme d’études secondaires, Rabi est entré à l’Université Cornell avec une bourse, commençant en génie électrique, mais obtenant son diplôme dans le domaine de la chimie. Après trois ans loin de l’université, il est d’abord retourné à Cornell, pour faire des études supérieures en chimie, avant de déménager un an plus tard à l’Université Columbia et de se tourner vers la physique.
En 1923, alors que Rabi commençait ses études de physique, il découvrit que son véritable intérêt était la théorie quantique. Cependant, aucun professeur de physique à Columbia n’était vraiment au courant de telles nouveautés venant d’Europe et il a dû choisir un sujet de thèse qui impliquait de mesurer la susceptibilité magnétique d’une série de sels cristallins. Entre-temps, il a organisé un groupe d’étude composé de camarades étudiants pour s’attaquer à la mécanique quantique. En juillet 1927, Rabi soumet sa thèse de doctorat à la revue Physical Review et, le lendemain, il épouse Helen Newmark. Peu de temps après, comme beaucoup d’autres jeunes physiciens américains, il partit en voyage en Europe, afin d’avoir une vision plus proche des pionniers de la nouvelle mécanique quantique.
Une tournée européenne à travers les Centres de Mécanique Quantique
Au cours des premiers mois, Rabi a visité Erwin Schrödinger à Zurich, Arnold Sommerfeld à Munich et Niels Bohr à Copenhague. Ce dernier s’arrangea pour que Rabi reste à Hambourg, avec Wolfgang Pauli, qui à l’époque était un collaborateur d’Otto Stern, l’un des pères fondateurs de la physique atomique expérimentale sans compter la spectroscopie. Fin octobre, Rabi y est arrivé avec Yoshio Nishina, qui visitait l’Europe depuis le Japon. Rabi connaissait bien l’expérience Stern-Gerlach de 1922, qui s’était avérée être l’un des jalons sur la voie de la physique quantique moderne. Pour mettre en place cette expérience, Stern s’est inspiré de l’extension de Sommerfeld de la théorie de Bohr de l’atome – une extension indépendamment avancée par Peter Debye – dans laquelle, en plus des nombres quantiques habituels pour la taille et la forme des orbites, une quantification de l’orientation spatiale des orbites électroniques « képlériennes » autour du noyau, a été proposée, une proposition appelée quantification spatiale. En raison du mouvement orbital d’un seul électron, un atome peut posséder un moment magnétique qui détermine son interaction avec les champs électriques et magnétiques externes. La quantification spatiale ne permettait que des orientations discrètes sélectionnées de chaque aimant atomique par rapport à la direction d’un champ magnétique appliqué de l’extérieur. Dans l’expérience Stern-Gerlach, un faisceau collimaté d’atomes d’argent, tous avec le même moment magnétique, s’écoulant d’un minuscule trou d’un four chauffé et se déplaçant avec des vitesses thermiques, a traversé un fort champ magnétique non uniforme. Sur son trajet entre le four et le détecteur, le champ magnétique exercera un couple sur le dipôle magnétique, qui précèdera ainsi autour de la direction du champ magnétique. Le champ non uniforme exercera également sur le moment magnétique une force transversale, dont l’amplitude et la direction dépendent de l’orientation du moment magnétique de l’atome par rapport à la direction du champ magnétique appliqué extérieurement. La composante du moment magnétique parallèle à la direction du champ ne sera pas affectée.
L’image classique n’inclut aucune restriction sur l’angle auquel l’aimant atomique peut précéder le champ magnétique. On s’attend à ce que, en raison des effets thermiques dans le four, les moments dipolaires magnétiques des atomes soient orientés aléatoirement dans l’espace par rapport à la direction du champ. Les directions de mouvement des atomes dans le faisceau initial seraient déplacées par des quantités aléatoires perpendiculaires à la direction de mouvement du faisceau initial. Une gradation continue des déflexions devrait ainsi se produire, et le faisceau transmis ne ferait que s’étaler comme un ventilateur.
En fait, Stern et Gerlach ont constaté que sur la plaque de détection en verre froid, le faisceau parent se divisait en deux parties distinctes – sans trace d’atomes d’argent dans la région centrale, là où on aurait pu s’attendre aux atomes non détectés – ce qui implique que, dans le cas des atomes d’argent, seules deux orientations distinctes sont autorisées par rapport à la direction du champ magnétique. Stern et Gerlach considéraient ainsi leur résultat comme une réfutation décisive de la théorie classique, réfutant la théorie classique de Larmor, qui était basée sur des valeurs continues pour la direction des moments magnétiques. Mais en même temps, ils ont considéré à tort le phénomène comme une confirmation de l’ancienne théorie quantique, selon laquelle le moment magnétique de l’atome d’argent était dû au moment angulaire orbital des électrons.
Sans le savoir, ils avaient en fait été les premiers à observer la quantification du moment magnétique associé au spin de l’électron, car leurs atomes d’argent étaient en réalité à l’état fondamental, avec un moment magnétique orbital total égal à zéro, de sorte que le moment dipolaire magnétique de l’atome était entièrement dû au spin de l’électron, un nouveau nombre quantique qui serait introduit en 1925 par George Uhlenbeck et Samuel Goudsmit.
L’expérience de Stern-Gerlach, un triomphe précoce de la méthode du faisceau moléculaire, offrant des preuves autres que spectroscopiques que les objets quantiques présentent un comportement incompatible avec la physique classique, avait stupéfait et intrigué Rabi en tant qu’étudiant, alors qu’il était encore sceptique sur la théorie quantique. Il est devenu convaincu que le système d’idées sous-jacent à l’atome de Bohr et les tentatives d’étendre ces idées à d’autres phénomènes atomiques étaient bien fondés et a commencé à étudier et à discuter avec ses amis de tous les articles qui seraient progressivement incorporés dans la structure formelle de la nouvelle mécanique quantique.
Tout en travaillant avec Nishina et Pauli sur des travaux théoriques, il passa quelque temps dans le laboratoire de Stern et réalisa avec succès ce qui devint sa première expérience de faisceau moléculaire. La configuration du champ magnétique qu’il a conçue pour dévier les particules du faisceau est devenue connue sous le nom de champ de Rabi. Le travail de Rabi dans le laboratoire de Stern a été décisif pour orienter son intérêt vers la recherche sur les faisceaux moléculaires.
Après Hambourg, Rabi se rendit à Leipzig pour travailler avec Werner Heisenberg, mais entre-temps Pauli quitta Hambourg pour une chaire à Zurich et, en mars 1929, Rabi et Robert Oppenheimer, qu’il avait rencontrés pour la première fois à Leipzig, le suivirent à Zurich. Une fois de plus, ce fut une merveilleuse occasion de faire connaissance avec certains des plus grands esprits de la physique, mais son séjour à Zurich s’est terminé lorsque, fin mars, Rabi a reçu un câble de l’Université Columbia, lui offrant une conférence au département de physique. Ils cherchaient un physicien théoricien, qui pourrait enseigner la nouvelle mécanique quantique et Heisenberg lui-même, lors d’une visite à Columbia, avait fortement recommandé Rabi pour un tel poste. Il accepte rapidement et, le 1er août 1929, il quitte l’Europe avec sa jeune femme. Son apprentissage scientifique terminé, il avait développé une nouvelle conscience et connaissance de la physique aux sources mêmes de la nouvelle mécanique quantique.
Faisceaux moléculaires pour sonder le noyau
Rabi a consacré sa première année à Columbia en tant que conférencier exclusivement à l’effort acharné d’enseigner les cours les plus avancés du département. Ainsi commença son influence omniprésente sur la physique américaine. Au cours des deux années suivantes, il a fait des recherches théoriques en physique du solide, mais ses pensées étaient très souvent orientées vers les faisceaux moléculaires.
En 1931, Harold Urey, collègue de Rabi à Columbia, tentait de déterminer le spin nucléaire du sodium par une analyse de son spectre, avec des résultats non concluants. À l’époque, son implication de longue date dans la recherche isotopique l’inspirait à rechercher le deutérium, l’isotope de l’hydrogène-2, dont il avait annoncé l’existence dans la Revue Physique le jour de l’An 1932. Pour cette découverte, Urey a ensuite reçu le prix Nobel de chimie en 1934. Sept semaines plus tard, James Chadwick a annoncé « l’existence possible d’un neutron », une découverte fondamentale qui a officiellement ouvert l’ère nucléaire.
Cependant, en 1931, le neutron n’était pas encore là et le noyau atomique était encore une terra incognita, un territoire inexploré qui allait bientôt devenir le domaine de l’aventure scientifique de Rabi. Rabi a vu que la technique du faisceau moléculaire pouvait être utilisée pour relever le défi offert par l’incertitude liée au spin nucléaire du sodium. Il pourrait donner accès à des questions fondamentales liées à la fois au monde quantique et au domaine nucléaire. Rabi voulait mesurer le moment magnétique d’un noyau de la manière dont Stern avait mesuré le moment magnétique d’un atome d’argent. Cependant, de nombreuses améliorations ont été nécessaires pour transformer l’expérience de base de Stern-Gerlach en une technique pouvant être utilisée pour des mesures quantitatives.
En principe, les propriétés magnétiques nucléaires pouvaient être déterminées par l’analyse des spectres atomiques, mais en raison de la taille infime des moments nucléaires – trois ordres de grandeur plus petits que leurs homologues électroniques – les techniques expérimentales étaient contraintes à la limite et il était assez difficile d’obtenir ce genre d’informations par spectroscopie. L’application d’une expérience de type Stern-Gerlach à la mesure des propriétés magnétiques nucléaires permettrait de vérifier de manière indépendante les méthodes spectroscopiques difficiles, tout en donnant accès à des données nucléaires qui n’étaient pas disponibles autrement.
Avec Gregory Breit, son collègue de l’Université de New York, Rabi avait organisé un séminaire conjoint pour explorer et discuter des phénomènes atomico-nucléaires. En 1931, ils ont développé une formule qui montrait la variation du moment magnétique d’un atome pour les différents niveaux de Zeeman de structure hyperfine sous l’influence d’un champ magnétique externe. La méthode du faisceau pourrait ainsi être utilisée pour étudier les propriétés magnétiques nucléaires des atomes.
Avec Victor Cohen, son premier étudiant diplômé, Rabi a commencé son travail expérimental pionnier sur la mesure précise des propriétés nucléaires, qui l’a amené à l’avant-garde de la physique nucléaire au cours de la décennie suivante. En faisant varier les champs de déviation le long du trajet parcouru par les atomes de sodium, le faisceau a été divisé en faisceaux individuels dans chacun desquels les atomes de sodium étaient dans le même état quantique hyperfin. Le nombre total de faisceaux dépendait du spin nucléaire du sodium, il suffisait donc de compter le nombre de faisceaux observés au détecteur. Ils ont pu en déduire que le spin nucléaire du sodium est de 3/2, mais pendant de nombreux mois, ils n’ont pas communiqué leurs résultats et les premiers résultats expérimentaux n’ont été publiés qu’en mars 1933.
La même année 1933, Stern et son groupe avaient mesuré le moment magnétique du proton, qui était environ 2,8 fois plus grand que ce que la théorie de Paul Dirac de 1928 semblait prédire. Ce résultat inattendu était en fait une découverte majeure. La découverte du spin de l’électron avait été d’une importance capitale pour la compréhension de la structure atomique. De même, on s’attendait à ce qu’une connaissance du moment magnétique du proton joue un rôle similaire dans le domaine de la structure nucléaire.
Le caractère fondamental des mesures de Stern et de ses collaborateurs a incité Rabi à mettre en place sa propre expérience pour mesurer le moment magnétique du proton – ainsi que celui du deutéron. Avec deux boursiers postdoctoraux, J. M. B. Kellog et Jerrold R. Zacharias, Rabi a rapidement commencé à mettre en place une expérience à l’Université Columbia pour mesurer le moment magnétique du proton, en appliquant la théorie de Breit-Rabi.
Les résultats publiés en 1934 indiquaient une valeur encore plus grande que le résultat surprenant de Stern. D’autres tentatives effectuées en 1936 ont utilisé une nouvelle méthode avec deux aimants déviants que chaque particule de faisceau passait séquentiellement. Après avoir été déviés dans le premier champ magnétique inhomogène, les atomes rapides et lents seraient recentrés dans le détecteur par le deuxième champ inhomogène, évitant ainsi les complications liées aux vitesses distribuées des particules du faisceau. Entre les deux aimants déviants, il y avait un nouveau champ statique en forme de T. Les faisceaux traversant le champ statique voient l’équivalent d’un champ magnétique tournant, ou oscillant, qui exerce une force de basculement sur le moment magnétique le faisant basculer d’une orientation à l’autre lorsque le champ apparent a une vitesse angulaire approximativement égale à la fréquence de précession de Larmor du moment magnétique autour du champ magnétique. L’étude de ces transitions stimulées entre les états magnétiques de l’atome d’hydrogène a permis, pour la première fois, de déterminer que les moments magnétiques du proton et du deuton sont positifs. Cette nouvelle disposition a eu pour effet d’améliorer considérablement les résultats expérimentaux, réduisant l’incertitude de la valeur mesurée du moment magnétique du proton de 10% à 5% et 4% au lieu de 26% pour le deuton. Mais non seulement ces résultats ont fourni de meilleures valeurs et les signes du moment, mais aussi le moment magnétique du neutron.
La Méthode de résonance magnétique
Pendant la majeure partie des années 1930, Rabi et ses collaborateurs, qui comprenaient également Polykarpe Kusch, Sydney Millmann et Norman Ramsey, ont continué à étudier les deux premiers isotopes de l’atome d’hydrogène. Lors de la planification d’une troisième expérience, un appareil très similaire à celui utilisé dans l’expérience précédente a été conçu, mais sous une forme quelque peu modifiée. Les deux forts champs de déviation inhomogènes ont de nouveau été configurés pour dévier les particules du faisceau dans des directions opposées, et l’intensité du champ du deuxième aimant a été réglée pour annuler exactement ce que le premier aimant a fait, c’est-à-dire recentrer les particules du faisceau dans le détecteur. Si ces deux champs seuls agissaient sur le faisceau, le nombre d’atomes détectés serait le même que s’il n’y avait pas de champs présents, car le second champ compenserait exactement l’action du premier champ.
La vraie nouveauté de cette expérience était que le troisième champ T statique simple était complété par une composante de champ faible superposée perpendiculairement au champ homogène constant fort et oscillant à une fréquence radio réglable. Cette composante oscillatoire pourrait modifier l’orientation des atomes prétraités induisant des transitions (retournement) des moments magnétiques juste avant qu’ils n’entrent dans le deuxième champ inhomogène constant.
En pleine analogie avec l’absorption par résonance de la lumière visible, des transitions vers différents états quantiques pourraient se produire d’un niveau hyperfin de Zeeman à un autre si le champ alternatif satisfaisait la condition de fréquence de Bohr pour la différence d’énergie entre les deux niveaux. Cependant, au lieu des fréquences optiques, on traitait ici normalement des fréquences dans la gamme radio, car les différences entre les niveaux d’énergie sont très faibles. Chaque molécule a vu plusieurs cycles de la même fréquence et la probabilité d’une transition a ainsi été augmentée. Lorsque la fréquence de précession de Larmor dans le champ statique correspond à la fréquence du champ oscillant, de nombreux atomes basculent dans une autre orientation et manquent le détecteur. Dans ce cas, le détecteur enregistre un minimum de résonance marqué, la position fréquentielle de ce minimum étant déterminée avec l’extraordinaire précision réalisable avec la jauge radiofréquence. Lorsque la fréquence de Larmor n’est plus en résonance avec la fréquence du champ oscillant, les atomes sont tous recentrés dans le détecteur, et le signal est à nouveau important.
C’était le cœur de la méthode par résonance magnétique, l’amélioration la plus significative des techniques de faisceau moléculaire et atomique, qui offrait clairement une précision sans précédent dans l’établissement des relations radio avec le monde de l’électron et du noyau atomique. Son application la plus directe était la mesure des moments magnétiques nucléaires. La base de ceci est la condition de résonance f = (µH) / Ih, dans laquelle f est la fréquence de précession de l’axe du spin nucléaire dans un champ magnétique de force H, et μ est le moment magnétique du noyau. Le nombre I est le nombre quantique de spin nucléaire, entier ou demi-entier, et h est la constante de Planck. La fréquence de précession, une fois détectée, est facilement mesurée avec une grande précision, et on peut ainsi déterminer la quantité μ / Ih, et le moment magnétique peut être trouvé si le spin est connu. Par conséquent, si la fréquence du champ oscillant varie lentement, une forte diminution (phénomène de résonance) se produit dans le nombre d’atomes arrivant au détecteur lorsque la fréquence du champ est égale à la fréquence de Larmor. Chacune de ces résonances donne alors une valeur du rapport μ/Ih et donc du moment magnétique.
La première courbe de résonance magnétique nucléaire a été envoyée à Physical Review le 15 janvier 1938. Les mesures sur l’hydrogène avec la méthode de résonance se sont poursuivies à la fin du printemps 1938. Comme prévu, deux fortes résonances ont été observées avec la molécule HD, dont l’une était associée au proton, l’autre au deutéron. Ces deux absorptions par résonance ont permis de déterminer les moments magnétiques du proton et du deutéron avec une précision améliorée. Cependant, les molécules H2 et D2 présentaient toutes deux un schéma d’absorptions différentes, au lieu de la seule résonance étroite forte attendue par le groupe. Un nouvel appareil a révélé les détails du modèle de résonance multiple, mais la théorie ne tenait pas compte des données obtenues, et Rabi s’est vite rendu compte que cela pourrait être dû à l’existence d’une autre propriété insoupçonnée du deuton: un moment quadripolaire électrique petit mais fini, qui est une mesure de départ d’ordre le plus bas d’une distribution de charge sphérique. Cette découverte de grande envergure, annoncée en 1940, fut une surprise. Elle a immédiatement obligé les théoriciens à renoncer aux forces centrales supposées lier le neutron et le proton et à admettre que les forces nucléaires sont beaucoup plus complexes que ne l’avaient supposé les premiers modèles nucléaires du début des années 1930.
Après l’écart dans la succession annuelle des prix Nobel, dû à la Seconde Guerre mondiale, ce n’est qu’à l’automne 1944 que l’Académie royale des Sciences de Suède annonce que pour 1943 le prix sera attribué à Otto Stern, « pour sa contribution au développement de la méthode des rayons moléculaires et sa découverte du moment magnétique du proton », et que pour 1944 à Isidor Rabi, « pour sa méthode de résonance pour enregistrer les propriétés magnétiques des noyaux atomiques ».
Après la Seconde Guerre mondiale, la résonance magnétique nucléaire (RMN) est devenue un cheval de bataille pour l’analyse physique et chimique. Plus tard encore, la découverte de Rabi a été étendue à l’imagerie par résonance magnétique (IRM), un puissant outil de diagnostic médical, qui est maintenant utilisé dans les centres médicaux du monde entier. Au cours des décennies suivantes, la méthode du faisceau moléculaire a été largement adoptée par les communautés de physique et de chimie physique du monde entier, et environ 20 prix Nobel ont été décernés pour des travaux basés sur la méthode du faisceau moléculaire; parmi eux, il y avait Kusch et Ramsey, deux anciens collaborateurs de Rabi.
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